Противостоять свету: защита от лазерного оружия. Часть 5
Ранее мы рассмотрели, как развиваются лазерные технологии, какое лазерное оружие может быть создано для применения в интересах военно-воздушных сил, сухопутных войск и ПВО, военно-морского флота.
Теперь надо понять, можно ли от него защититься, и как. Часто раздаются высказывания о том, что достаточно покрыть ракету зеркальным покрытием или отполировать снаряд, но к сожалению, всё не так просто.
Обычное зеркало с алюминиевым покрытием отражает примерно 95% падающего излучения, причём его эффективность сильно зависит от длины волны.
Из всех материалов, показанных на графике, самый высокий коэффициент отражения у алюминия, который отнюдь не является тугоплавким материалом. Если при облучении маломощным излучением зеркало будет нагреваться незначительно, то при попадании мощного излучения материал зеркального покрытия быстро придёт в негодность, что приведёт к ухудшению его отражающих свойств и дальнейшему лавинообразному нагреву и разрушению.
При длине волны менее 200 нм эффективность зеркал резко падает, т.е. от ультрафиолетового или рентгеновского излучения (лазер на свободных электронах) такая защита не будет работать вообще.
Существуют экспериментальные искусственные материалы со 100%-ным отражением, но они работают только для определённой длины волны. Также зеркала могут покрываться специальными многослойными покрытиями, увеличивающими их отражающие способности до 99.999%. Но и этот метод работает только для одной длины волны, причём падающей под определённым углом.
Не стоит забывать о том, что условия эксплуатации вооружений далеки от лабораторных, т.е. зеркальную ракету или снаряд надо будет хранить в контейнере, заполненном инертным газом. Малейшее помутнение или пятно, например, от отпечатков рук, сразу ухудшат отражающую способность зеркала.
Выход из контейнера сразу подвергнет зеркальную поверхность воздействию окружающей среды – атмосферы и теплового воздействия. Если зеркальная поверхность не будет покрыта защитной плёнкой, то это сразу приведёт к ухудшению её отражающих свойств, а если её покрыть защитным напылением, то оно само будет ухудшать отражающие свойства поверхности.
Резюмируя вышесказанное, отметим: зеркальная защита не очень хорошо подходит для защиты от лазерного оружия. А что тогда подходит?
В какой-то степени поможет способ «размазывания» тепловой энергии лазерного луча по корпусу путем обеспечения вращательного движения летательного аппарата (ЛА), вокруг собственной продольной оси. Но этот способ подходит лишь для боеприпасов и в ограниченной степени для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в меньшей степени он будет эффективен при облучении лазером в переднюю часть корпуса.
На некоторые типах защищаемых объектов, например, на планирующих авиабомбах, крылатых ракетах (КР), или противотанковых управляемых ракетах (ПТУР), атакующих цель при пролёте сверху, такой способ также применить не удастся. Невращающимися, по большей части, являются миномётные мины. Сложно собрать данные по всем невращающимся ЛА, но уверен, что их очень много.
В любом случае, вращение ЛА лишь незначительно снизит влияние лазерного излучения на цель, т.к. тепло, передаваемое мощным лазерным излучением корпусу будет передаваться на внутренние конструкции и далее по всем компонентам летательного аппарата.
Применение дымов и аэрозолей в качестве мер по противодействию лазерному оружию также имеет ограниченные возможности. Как уже говорилось в статьях серии, применение лазеров против наземной бронированной техники или кораблей возможно только при использовании против средств наблюдения, к защите которых мы ещё вернёмся. Прожечь корпус БМП/танка или надводного корабля лазерным лучом в обозримой перспективе нереально.
Разумеется, невозможно применить дымовую или аэрозольную защиту против ЛА. Из-за высокой скорости ЛА дым или аэрозоль всегда будут сдуваться назад встречным напором воздуха, у вертолётов их будет сдувать воздушный поток от винта.
Таким образом, защита от лазерного оружия в виде распыляемых дымов и аэрозолей может потребоваться лишь на легкобронированной технике. С другой стороны, танки и другая бронетехника зачастую и так оснащаются штатными системами постановки дымовых завес для срыва захвата комплексов вооружения противника, и в этом случае, при разработке соответствующих наполнителей, они могут применяться и для противодействия лазерному оружию.
Возвращаясь к защите оптических и тепловизионных средств разведки, можно предположить, что установка оптических фильтров, препятствующих прохождению лазерного излучения определённой длины волны, подойдёт только на начальном этапе для защиты от маломощного лазерного оружия, по следующим причинам:
— на вооружении будет стоять большая номенклатура лазеров различных производителей, работающих на разных длинах волн;
— фильтр, предназначенный для поглощения или отражения определённой длины волны, при воздействии мощного излучения скорее всего выйдет из строя, что приведёт либо к попаданию лазерного излучения на чувствительные элементы, либо выходу из строя самой оптики (помутнение, искажение изображения);
— некоторые лазеры, в частности, лазер на свободных электронах, могут изменять рабочую длину волны в широком диапазоне.
Защита оптических и тепловизионных средств разведки может осуществляться для наземной техники, кораблей и авиационной техники, путём установки защитных экранов с высоким быстродействием. В случае обнаружения лазерного излучения защитный экран за доли секунды должен закрыть объективы, но даже это не гарантирует отсутствие повреждений чувствительных элементов. Возможно, что широкое распространение лазерного оружия со временем потребует, как минимум дублирования средств разведки, работающих в оптическом диапазоне.
Если на крупных носителях установка защитных экранов и дублирующих средств оптической и тепловизионной разведки вполне реализуема, то на высокоточном оружии, особенно компактных размеров, это сделать гораздо сложнее. Во-первых, существенно ужесточаются массогабаритные требования к защите, во-вторых, воздействие лазерного излучения высокой мощности даже при закрытой заслонке, может вызвать, перегрев компонент оптической системы из-за плотной компоновки, что приведёт к частичному или полному нарушению её работы.
Какими же способами можно эффективно защитить технику и вооружение от лазерного оружия? Основных способов два – это абляционная защита и конструктивная теплоизолирующая защита.
Абляционная защита (от латинского ablatio – отнятие, унос массы) основана на уносе вещества с поверхности защищаемого объекта потоком горячего газа и/или на перестройке пограничного слоя, что в совокупности значительно уменьшает теплопередачу к защищаемой поверхности. Иными словами, поступающая энергия тратится на нагрев, расплав, и испарение защищающего материала.
В настоящий момент абляционная защита активно используется в спускаемых модулях космических аппаратов (КА) и в соплах реактивных двигателей. Наибольшее применение получили обугливающиеся пластмассы на основе фенольных, кремнийорганических и других синтетических смол, содержащих в качестве наполнителей углерод (в том числе графит), двуокись кремния (кремнезем, кварц), найлон.
Абляционная защита – одноразовая, тяжелая и объёмная, поэтому использовать её на летательных аппаратах многоразового использования (читай не всех пилотируемых, и большей части беспилотных ЛА) нет смысла. Единственное её применение – это на управляемых и неуправляемых снарядах. И здесь основной вопрос в том, какой толщины должна быть защита для лазера мощностью, например, 100 кВт, 300 кВт и т.д.
На космическом корабле «Аполлон» толщина защиты лежит в диапазоне от 8 до 44 мм для температур от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов. Где-то в этом диапазоне будет лежать и потребная толщина абляционной защиты от боевых лазеров. Легко представить, как она повлияет на массогабаритные характеристики, а, следовательно, и на дальность, маневренность, массу боевой части (БЧ) и другие параметры боеприпаса. Абляционная теплозащита также должна выдерживать перегрузки при запуске и маневрировании, соответствовать нормам сроков и условий хранения боеприпасов.
Под вопросом находятся неуправляемые боеприпасы, поскольку неравномерное разрушение абляционной защиты от лазерного излучения может изменить внешнюю баллистику, вследствие чего боеприпас отклонится от цели. Если абляционная защита уже где-то применяется, например, в гиперзвуковых боеприпасах, то придётся наращивать её толщину.
Другой способ защиты – конструктивное покрытие или исполнение корпуса несколькими защитными слоями из тугоплавких материалов, устойчивых к внешним воздействиям.
Если проводить аналогию с космическими аппаратами, то можно рассмотреть тепловую защиту многоразового КА «Буран». На участках, где температура поверхности составляет 371 – 1260 градусов Цельсия, применялось покрытие, состоящее из аморфного кварцевого волокна 99,7 %-ной чистоты, к которому добавляется связующее – коллоидная двуокись кремния. Покрытие изготавливается в виде плиток двух типоразмеров толщиной от 5 до 64 мм.
На внешнюю поверхность плиток наносится боросиликатное стекло, содержащее специальный пигмент (белое покрытие на основе окиси кремния и блестящей окиси алюминия), для получения малого коэффициента поглощения солнечной радиации и высокого коэффициента излучения. На носовом обтекателе и носках крыла аппарата, где температуры превышают 1260 градусов, применялась абляционная защита.
Необходимо учитывать, что при длительной эксплуатации может быть нарушена защита плиток от влаги, что приведёт к утрате теплозащитой своих свойств, поэтому она не может напрямую быть использована в качестве противолазерной защиты на многоразовых ЛА.
В настоящий момент разрабатывается перспективная абляционная теплозащита с минимальным износом поверхности, обеспечивающая защиту летательных аппаратов от температуры до 3000 градусов.
Группа учёных из Института Ройса при Университете Манчестера (Великобритания) и Центрального южного университета (Китай) разработала новый материал с улучшенными характеристиками, который без структурных изменений выдерживает температуру до 3000°C. Это керамическое покрытие Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, которое накладывается на матрицу углерод-углеродного композита. По своим характеристикам новое покрытие значительно превосходит самую лучшую высокотемпературную керамику.
Химическая структура термостойкой керамики сама по себе выполняет роль защитного механизма. При температуре 2000°C материалы Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 и SiC окисляются и превращаются в Zr0.80T0.20O2, B2O3 и SiO2, соответственно. Zr0.80Ti0.20O2 частично расплавляется и формирует относительно плотный слой, а оксиды с низкой температурой плавления SiO2 и B2O3 испаряются. При более высокой температуре 2500°C кристаллы Zr0.80Ti0.20O2 сплавляются в более крупные образования. При температуре 3000°C формируется почти абсолютно плотный внешний слой, в основном состоящий из Zr0.80Ti0.20O2, титаната циркония и SiO2.
В мире ведутся разработки и специальных покрытий, предназначенных для защиты от лазерного излучения.
Представитель Народно-освободительной армии Китая еще в 2014 году заявлял, что американские лазеры не представляют особой опасности для китайской военной техники, обшитой специальным защитным слоем. Остаются только вопросы, от лазеров какой мощности, защищает это покрытие, и какую имеет толщину и массу.
Наибольший интерес представляет покрытие, разработанное американскими исследователями из Национального института стандартов и технологий и университета Канзаса – аэрозольный состав на основе смеси углеродных нанотрубок и специальной керамики, способный эффективно поглощать свет лазеров. Нанотрубки нового материала однородно поглощают свет и передают тепло в близлежащие области, снижая температуру в точке контакта с лучом лазера. Керамические высокотемпературные соединения обеспечивают защитному покрытию высокую механическую прочность и стойкость по отношению к разрушениям от высокой температуры.
В процессе испытаний тонкий слой материала нанесли на поверхность меди и после высыхания сфокусировали на поверхности материала луч длинноволнового инфракрасного лазера, лазера, который используется для резки металла и других твердых материалов.
Анализ собранных данных показал, что покрытие успешно поглотило 97.5 процентов энергии луча лазера и без разрушения выдержало уровень энергии в 15 кВт на квадратный сантиметр поверхности.
По данному покрытию возникает вопрос: на испытаниях защитное покрытие было нанесено на медную поверхность, которая сама по себе является одной из самых сложных материалов для обработки лазером, из-за её высокой теплопроводности, неясно как оно поведёт себя такое защитное покрытие с другими материалами. Также возникают вопросы о её максимальной температурной стойкости, стойкости к вибрационно-ударным нагрузкам, воздействию атмосферных условий и ультрафиолета (солнце). Не указано время, в течении которого проводилось облучение.
Ещё один интересный момент: если двигатели ЛА также будут покрыты веществом с высокой теплопроводностью, то от них равномерно будет нагрет весь корпус, что максимально демаскирует ЛА в тепловом спектре.
В любом случае, характеристики вышеуказанной аэрозольной защиты будут находиться в прямой зависимости с размерами защищаемого объекта. Чем больше защищаемый объект и площадь покрытия, тем больше энергии может быть рассеяно по площади и отдано в виде теплового излучения и охлаждения набегающим потоком воздуха. Чем меньше защищаемый объект, тем толще придётся делать защиту, т.к. малая площадь не позволит отвести достаточно тепла и будут перегреты внутренние конструктивные элементы.
Применение защиты от лазерного излучения, неважно абляционной или конструктивной теплоизолирующей, может переломить тенденцию к уменьшению размеров управляемых боеприпасов, существенно уменьшить эффективность как управляемых, так и не управляемых боеприпасов.
Все несущие поверхности и органы управления – крылья, стабилизаторы, рули, придётся делать из дорогих и сложно обрабатываемых тугоплавких материалов.
Отдельно возникает вопрос по защите радиолокационных средств обнаружения. На экспериментальном космическом аппарате «БОР-5» испытывалась радиопрозрачная теплозащита – стеклопластик с кремнеземным наполнителем, но её теплозащитные и массогабаритные характеристики мне найти не удалось.
Пока неясно, может ли в результате облучения мощным лазерным излучением обтекателя радиолокационных средств разведки, пусть и с защитой от теплового излучения, возникнуть высокотемпературное плазменное образование, препятствующее прохождению радиоволн, вследствие чего цель может быть потеряна.
Для защиты корпуса возможно будет применяться комбинация нескольких защитных слоёв – теплостойкий-малотеплопроводный изнутри и отражающий-теплостойкий-высокотеплопроводный снаружи. Также возможно, что поверх защиты от лазерного излучения, будут наноситься материалы для обеспечения малозаметности, которые не смогут противостоять лазерному излучению, и должны будут восстанавливаться после получения повреждений от лазерного оружия в случае, если сам ЛА выжил.
Можно предположить, что совершенствование и широкое распространение лазерного оружия, потребуют обеспечения противолазерной защитой всех имеющихся боеприпасов, как управляемых, так и неуправляемых, а также пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
Внедрение противолазерной защиты неизбежно приведёт к росту стоимости и массогабаритных характеристик управляемых и неуправляемых боеприпасов, а также пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
В заключение можно упомянуть об одном из разрабатывающихся способов активного противодействия лазерной атаке. Компания Adsys Controls, расположенная в Калифорнии, разрабатывает защитную систему Helios, которая должна сбивать наведение лазера противника.
При наведении боевого лазера противника на защищаемый аппарат Helios определяет его параметры: мощность, длину волны, частоту импульсов, направление и дальность до источника. В дальнейшем Helios мешает лазерному лучу противника фокусироваться на цели, предположительно путём наведения встречного низкоэнергетического лазерного луча, который сбивает с толку систему наведения противника. Детальные характеристики системы Helios, стадия её разработки и её практическая работоспособность пока неизвестны.
Теперь надо понять, можно ли от него защититься, и как. Часто раздаются высказывания о том, что достаточно покрыть ракету зеркальным покрытием или отполировать снаряд, но к сожалению, всё не так просто.
Обычное зеркало с алюминиевым покрытием отражает примерно 95% падающего излучения, причём его эффективность сильно зависит от длины волны.
Спектральный коэффициент отражения зеркал с различными металлическими покрытиями
Из всех материалов, показанных на графике, самый высокий коэффициент отражения у алюминия, который отнюдь не является тугоплавким материалом. Если при облучении маломощным излучением зеркало будет нагреваться незначительно, то при попадании мощного излучения материал зеркального покрытия быстро придёт в негодность, что приведёт к ухудшению его отражающих свойств и дальнейшему лавинообразному нагреву и разрушению.
При длине волны менее 200 нм эффективность зеркал резко падает, т.е. от ультрафиолетового или рентгеновского излучения (лазер на свободных электронах) такая защита не будет работать вообще.
Зеркальное покрытие, повреждённое лазерным излучением CO2 лазера
Существуют экспериментальные искусственные материалы со 100%-ным отражением, но они работают только для определённой длины волны. Также зеркала могут покрываться специальными многослойными покрытиями, увеличивающими их отражающие способности до 99.999%. Но и этот метод работает только для одной длины волны, причём падающей под определённым углом.
Не стоит забывать о том, что условия эксплуатации вооружений далеки от лабораторных, т.е. зеркальную ракету или снаряд надо будет хранить в контейнере, заполненном инертным газом. Малейшее помутнение или пятно, например, от отпечатков рук, сразу ухудшат отражающую способность зеркала.
Выход из контейнера сразу подвергнет зеркальную поверхность воздействию окружающей среды – атмосферы и теплового воздействия. Если зеркальная поверхность не будет покрыта защитной плёнкой, то это сразу приведёт к ухудшению её отражающих свойств, а если её покрыть защитным напылением, то оно само будет ухудшать отражающие свойства поверхности.
Сравнительный спектры отражения плёнок усиленного алюминия, стандартного алюминия и алюминия без защиты
Резюмируя вышесказанное, отметим: зеркальная защита не очень хорошо подходит для защиты от лазерного оружия. А что тогда подходит?
В какой-то степени поможет способ «размазывания» тепловой энергии лазерного луча по корпусу путем обеспечения вращательного движения летательного аппарата (ЛА), вокруг собственной продольной оси. Но этот способ подходит лишь для боеприпасов и в ограниченной степени для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в меньшей степени он будет эффективен при облучении лазером в переднюю часть корпуса.
На некоторые типах защищаемых объектов, например, на планирующих авиабомбах, крылатых ракетах (КР), или противотанковых управляемых ракетах (ПТУР), атакующих цель при пролёте сверху, такой способ также применить не удастся. Невращающимися, по большей части, являются миномётные мины. Сложно собрать данные по всем невращающимся ЛА, но уверен, что их очень много.
Планирующие авиабомбы SDB-39 и JSOW
Крылатые ракеты JASSM и 3М-14
ПТУР TOW2B атакующий цель при пролёте над ней
В любом случае, вращение ЛА лишь незначительно снизит влияние лазерного излучения на цель, т.к. тепло, передаваемое мощным лазерным излучением корпусу будет передаваться на внутренние конструкции и далее по всем компонентам летательного аппарата.
Применение дымов и аэрозолей в качестве мер по противодействию лазерному оружию также имеет ограниченные возможности. Как уже говорилось в статьях серии, применение лазеров против наземной бронированной техники или кораблей возможно только при использовании против средств наблюдения, к защите которых мы ещё вернёмся. Прожечь корпус БМП/танка или надводного корабля лазерным лучом в обозримой перспективе нереально.
Разумеется, невозможно применить дымовую или аэрозольную защиту против ЛА. Из-за высокой скорости ЛА дым или аэрозоль всегда будут сдуваться назад встречным напором воздуха, у вертолётов их будет сдувать воздушный поток от винта.
Таким образом, защита от лазерного оружия в виде распыляемых дымов и аэрозолей может потребоваться лишь на легкобронированной технике. С другой стороны, танки и другая бронетехника зачастую и так оснащаются штатными системами постановки дымовых завес для срыва захвата комплексов вооружения противника, и в этом случае, при разработке соответствующих наполнителей, они могут применяться и для противодействия лазерному оружию.
Элементы комплекса активной защиты (КАЗ) «Афганит», предназначенные для постановки защитных завес, перспективного танка Т-14 на базе платформы «Армата»
Возвращаясь к защите оптических и тепловизионных средств разведки, можно предположить, что установка оптических фильтров, препятствующих прохождению лазерного излучения определённой длины волны, подойдёт только на начальном этапе для защиты от маломощного лазерного оружия, по следующим причинам:
— на вооружении будет стоять большая номенклатура лазеров различных производителей, работающих на разных длинах волн;
— фильтр, предназначенный для поглощения или отражения определённой длины волны, при воздействии мощного излучения скорее всего выйдет из строя, что приведёт либо к попаданию лазерного излучения на чувствительные элементы, либо выходу из строя самой оптики (помутнение, искажение изображения);
— некоторые лазеры, в частности, лазер на свободных электронах, могут изменять рабочую длину волны в широком диапазоне.
Защита оптических и тепловизионных средств разведки может осуществляться для наземной техники, кораблей и авиационной техники, путём установки защитных экранов с высоким быстродействием. В случае обнаружения лазерного излучения защитный экран за доли секунды должен закрыть объективы, но даже это не гарантирует отсутствие повреждений чувствительных элементов. Возможно, что широкое распространение лазерного оружия со временем потребует, как минимум дублирования средств разведки, работающих в оптическом диапазоне.
Если на крупных носителях установка защитных экранов и дублирующих средств оптической и тепловизионной разведки вполне реализуема, то на высокоточном оружии, особенно компактных размеров, это сделать гораздо сложнее. Во-первых, существенно ужесточаются массогабаритные требования к защите, во-вторых, воздействие лазерного излучения высокой мощности даже при закрытой заслонке, может вызвать, перегрев компонент оптической системы из-за плотной компоновки, что приведёт к частичному или полному нарушению её работы.
Американский ПТУР «Javelin», российские ПЗРК «Верба» и ракета в-в малой дальности РВВ-МД – наиболее уязвимые цели для лазерного оружия
Какими же способами можно эффективно защитить технику и вооружение от лазерного оружия? Основных способов два – это абляционная защита и конструктивная теплоизолирующая защита.
Абляционная защита (от латинского ablatio – отнятие, унос массы) основана на уносе вещества с поверхности защищаемого объекта потоком горячего газа и/или на перестройке пограничного слоя, что в совокупности значительно уменьшает теплопередачу к защищаемой поверхности. Иными словами, поступающая энергия тратится на нагрев, расплав, и испарение защищающего материала.
В настоящий момент абляционная защита активно используется в спускаемых модулях космических аппаратов (КА) и в соплах реактивных двигателей. Наибольшее применение получили обугливающиеся пластмассы на основе фенольных, кремнийорганических и других синтетических смол, содержащих в качестве наполнителей углерод (в том числе графит), двуокись кремния (кремнезем, кварц), найлон.
Схема абляционной защиты
Абляционная защита – одноразовая, тяжелая и объёмная, поэтому использовать её на летательных аппаратах многоразового использования (читай не всех пилотируемых, и большей части беспилотных ЛА) нет смысла. Единственное её применение – это на управляемых и неуправляемых снарядах. И здесь основной вопрос в том, какой толщины должна быть защита для лазера мощностью, например, 100 кВт, 300 кВт и т.д.
На космическом корабле «Аполлон» толщина защиты лежит в диапазоне от 8 до 44 мм для температур от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов. Где-то в этом диапазоне будет лежать и потребная толщина абляционной защиты от боевых лазеров. Легко представить, как она повлияет на массогабаритные характеристики, а, следовательно, и на дальность, маневренность, массу боевой части (БЧ) и другие параметры боеприпаса. Абляционная теплозащита также должна выдерживать перегрузки при запуске и маневрировании, соответствовать нормам сроков и условий хранения боеприпасов.
Абляционная защита космического корабля «Буран» в разрезе
Под вопросом находятся неуправляемые боеприпасы, поскольку неравномерное разрушение абляционной защиты от лазерного излучения может изменить внешнюю баллистику, вследствие чего боеприпас отклонится от цели. Если абляционная защита уже где-то применяется, например, в гиперзвуковых боеприпасах, то придётся наращивать её толщину.
Другой способ защиты – конструктивное покрытие или исполнение корпуса несколькими защитными слоями из тугоплавких материалов, устойчивых к внешним воздействиям.
Если проводить аналогию с космическими аппаратами, то можно рассмотреть тепловую защиту многоразового КА «Буран». На участках, где температура поверхности составляет 371 – 1260 градусов Цельсия, применялось покрытие, состоящее из аморфного кварцевого волокна 99,7 %-ной чистоты, к которому добавляется связующее – коллоидная двуокись кремния. Покрытие изготавливается в виде плиток двух типоразмеров толщиной от 5 до 64 мм.
На внешнюю поверхность плиток наносится боросиликатное стекло, содержащее специальный пигмент (белое покрытие на основе окиси кремния и блестящей окиси алюминия), для получения малого коэффициента поглощения солнечной радиации и высокого коэффициента излучения. На носовом обтекателе и носках крыла аппарата, где температуры превышают 1260 градусов, применялась абляционная защита.
Необходимо учитывать, что при длительной эксплуатации может быть нарушена защита плиток от влаги, что приведёт к утрате теплозащитой своих свойств, поэтому она не может напрямую быть использована в качестве противолазерной защиты на многоразовых ЛА.
Космический корабль «Буран». Белые и черные плитки – многоразовая теплозащита, черные элементы носовой части и кромок крыла – абляционная теплозащита
Толщина теплозащиты космического корабля «Буран» в зависимости от температуры
В настоящий момент разрабатывается перспективная абляционная теплозащита с минимальным износом поверхности, обеспечивающая защиту летательных аппаратов от температуры до 3000 градусов.
Группа учёных из Института Ройса при Университете Манчестера (Великобритания) и Центрального южного университета (Китай) разработала новый материал с улучшенными характеристиками, который без структурных изменений выдерживает температуру до 3000°C. Это керамическое покрытие Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, которое накладывается на матрицу углерод-углеродного композита. По своим характеристикам новое покрытие значительно превосходит самую лучшую высокотемпературную керамику.
Химическая структура термостойкой керамики сама по себе выполняет роль защитного механизма. При температуре 2000°C материалы Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 и SiC окисляются и превращаются в Zr0.80T0.20O2, B2O3 и SiO2, соответственно. Zr0.80Ti0.20O2 частично расплавляется и формирует относительно плотный слой, а оксиды с низкой температурой плавления SiO2 и B2O3 испаряются. При более высокой температуре 2500°C кристаллы Zr0.80Ti0.20O2 сплавляются в более крупные образования. При температуре 3000°C формируется почти абсолютно плотный внешний слой, в основном состоящий из Zr0.80Ti0.20O2, титаната циркония и SiO2.
Тёмно-серая поверхность материала до проведения испытаний, а также поверхность после двухминутных испытаний при температуре 2000°C и 2500°C. В центре правого образца находится участок, где температура пламени достигала 3000°C
В мире ведутся разработки и специальных покрытий, предназначенных для защиты от лазерного излучения.
Представитель Народно-освободительной армии Китая еще в 2014 году заявлял, что американские лазеры не представляют особой опасности для китайской военной техники, обшитой специальным защитным слоем. Остаются только вопросы, от лазеров какой мощности, защищает это покрытие, и какую имеет толщину и массу.
Наибольший интерес представляет покрытие, разработанное американскими исследователями из Национального института стандартов и технологий и университета Канзаса – аэрозольный состав на основе смеси углеродных нанотрубок и специальной керамики, способный эффективно поглощать свет лазеров. Нанотрубки нового материала однородно поглощают свет и передают тепло в близлежащие области, снижая температуру в точке контакта с лучом лазера. Керамические высокотемпературные соединения обеспечивают защитному покрытию высокую механическую прочность и стойкость по отношению к разрушениям от высокой температуры.
В процессе испытаний тонкий слой материала нанесли на поверхность меди и после высыхания сфокусировали на поверхности материала луч длинноволнового инфракрасного лазера, лазера, который используется для резки металла и других твердых материалов.
Анализ собранных данных показал, что покрытие успешно поглотило 97.5 процентов энергии луча лазера и без разрушения выдержало уровень энергии в 15 кВт на квадратный сантиметр поверхности.
По данному покрытию возникает вопрос: на испытаниях защитное покрытие было нанесено на медную поверхность, которая сама по себе является одной из самых сложных материалов для обработки лазером, из-за её высокой теплопроводности, неясно как оно поведёт себя такое защитное покрытие с другими материалами. Также возникают вопросы о её максимальной температурной стойкости, стойкости к вибрационно-ударным нагрузкам, воздействию атмосферных условий и ультрафиолета (солнце). Не указано время, в течении которого проводилось облучение.
Ещё один интересный момент: если двигатели ЛА также будут покрыты веществом с высокой теплопроводностью, то от них равномерно будет нагрет весь корпус, что максимально демаскирует ЛА в тепловом спектре.
Скорость реза меди самая маленькая из всех металлов в таблице из-за высокой теплопроводности, возможно, разработчики защитного материала не случайно предпочли этот материал в качестве подложки на испытаниях, пытаясь завысить характеристики своей разработки
В любом случае, характеристики вышеуказанной аэрозольной защиты будут находиться в прямой зависимости с размерами защищаемого объекта. Чем больше защищаемый объект и площадь покрытия, тем больше энергии может быть рассеяно по площади и отдано в виде теплового излучения и охлаждения набегающим потоком воздуха. Чем меньше защищаемый объект, тем толще придётся делать защиту, т.к. малая площадь не позволит отвести достаточно тепла и будут перегреты внутренние конструктивные элементы.
Применение защиты от лазерного излучения, неважно абляционной или конструктивной теплоизолирующей, может переломить тенденцию к уменьшению размеров управляемых боеприпасов, существенно уменьшить эффективность как управляемых, так и не управляемых боеприпасов.
Все несущие поверхности и органы управления – крылья, стабилизаторы, рули, придётся делать из дорогих и сложно обрабатываемых тугоплавких материалов.
Отдельно возникает вопрос по защите радиолокационных средств обнаружения. На экспериментальном космическом аппарате «БОР-5» испытывалась радиопрозрачная теплозащита – стеклопластик с кремнеземным наполнителем, но её теплозащитные и массогабаритные характеристики мне найти не удалось.
Пока неясно, может ли в результате облучения мощным лазерным излучением обтекателя радиолокационных средств разведки, пусть и с защитой от теплового излучения, возникнуть высокотемпературное плазменное образование, препятствующее прохождению радиоволн, вследствие чего цель может быть потеряна.
Для защиты корпуса возможно будет применяться комбинация нескольких защитных слоёв – теплостойкий-малотеплопроводный изнутри и отражающий-теплостойкий-высокотеплопроводный снаружи. Также возможно, что поверх защиты от лазерного излучения, будут наноситься материалы для обеспечения малозаметности, которые не смогут противостоять лазерному излучению, и должны будут восстанавливаться после получения повреждений от лазерного оружия в случае, если сам ЛА выжил.
Можно предположить, что совершенствование и широкое распространение лазерного оружия, потребуют обеспечения противолазерной защитой всех имеющихся боеприпасов, как управляемых, так и неуправляемых, а также пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
Внедрение противолазерной защиты неизбежно приведёт к росту стоимости и массогабаритных характеристик управляемых и неуправляемых боеприпасов, а также пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
В заключение можно упомянуть об одном из разрабатывающихся способов активного противодействия лазерной атаке. Компания Adsys Controls, расположенная в Калифорнии, разрабатывает защитную систему Helios, которая должна сбивать наведение лазера противника.
При наведении боевого лазера противника на защищаемый аппарат Helios определяет его параметры: мощность, длину волны, частоту импульсов, направление и дальность до источника. В дальнейшем Helios мешает лазерному лучу противника фокусироваться на цели, предположительно путём наведения встречного низкоэнергетического лазерного луча, который сбивает с толку систему наведения противника. Детальные характеристики системы Helios, стадия её разработки и её практическая работоспособность пока неизвестны.
- Андрей Митрофанов
- nanonewsnet.ru, habr.com, tydexoptics.com, findpatent.ru, popmech.ru, bastion-karpenko.ru, epizodsspace.airbase.ru, buran.ru
- Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1
Лазерное оружие: перспективы в военно-воздушных силах. Часть 2
Лазерное оружие: сухопутные войска и ПВО. Часть 3
Лазерное оружие: военно-морской флот. Часть 4
Информация